KR101862342B1 - 금속 카보네이트의 금속 클로라이드로의 전환 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 형태의 금속 카보네이트(1)를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐(2)과 반응시켜 금속 클로라이드 Mx +Clx -(1') (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn, 바람직하게, Li 및 Mg, 특히 바람직하게, Li를 함유한 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 형성시키는, 금속 클로라이드 Mx +Clx -를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 방법을 수행하기 위한 장치(R)에 관한 것이다.

Description

금속 카보네이트의 금속 클로라이드로의 전환{CONVERSION OF METAL CARBONATE INTO METAL CHLORIDE}
본 발명은 고체로서 금속 카보네이트(metal carbonate)를 포스겐(phosgene), 디포스겐(diphosgene) 및/또는 트리포스겐(triphosgene)과 반응시켜 금속 클로라이드(metal chloride) Mx +Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속(alkali metal), 알칼리 토금속(alkaline earth metal), Al 및 Zn, 바람직하게, Li 및 Mg, 더욱 바람직하게, Li의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 형성시키는 금속 클로라이드 Mx +Clx -를 제조하는 방법, 및 또한 이러한 방법을 실행시키기 위한 장치에 관한 것이다.
WO 2012/038330호 및 WO 2013/156476호에는 유용한 물질 및 높은 수준의 열 에너지(thermal energy)를 수득하고 이에 의해 대기의 오염(soiling)을 감소시키기 위해, 연도 가스(flue gas)/오프-가스(off-gas)가 전기양성의 금속 리튬(lithium) 또는 마그네슘(magnesium)으로 어떻게 처리될 수 있는 지가 기재되어 있다.
WO 2012/038330호에는 메탄올 또는 다른 유용한 물질을 수득하기 위해 추가로 반응될 수 있는, 일산화탄소 또는 아세틸렌(acetylene)과 같은 유용한 물질을 수득하기 위해 CO2와 리튬의 반응이 설명되어 있다. 방출되는 열 에너지는 메탄올(methanol)/CO2 분리를 유도하거나 심지어 스팀 발생기(steam generator)를 구동시키기 위해 사용될 수 있다.
이러한 문맥에서 관련된 반응 및 고려사항은 하기를 포함한다:
2 Li + CO2 → Li2O + CO -314.9 kJ/mol (비교: C + O2 → CO2 -393.5 kJ/mol)
4 Li + CO2 → 2 Li2O + C -803.94 kJ/mol
C + CO2 → 2 CO +172.5 kJ/mol; 이는 메탄올로 전환될 수 있음
2C + 2Li → Li2C2; 이는 아세틸렌으로 전환될 수 있음 (비 CO2:Li)
Li2CO3 + 4C → Li2C2 + 3 CO
Li2O + CO2 → Li2CO3; Li2CO3 → Li2O + CO2, 대략 1500℃의 관련 온도에서.
형성 엔탈피(enthalpy of formation)(298K): Li2O = -597.90 kJ/mol;
Li2CO3 = -1215.87 kJ/mol.
2 Li + 2 CO2 → Li2CO3 + CO -539 kJ
가수분해 후, 강알칼리성(strongly alkaline) Li2CO3 현탁액이 얻어진다.
Li2C2 + H2O → HC≡CH + 2 LiOH
Li2O + CO2 → Li2CO3
WO 2013/156476호에는 연도 가스/폐가스(waste gas)의 처리가 어떻게 또한, 리튬-황-기반 염의 높은 용해도 및 리튬 카보네이트의 낮은 용해도를 고려하여 탈황화(desulfurization)를 포함할 수 있는 지가 기재되어 있다:
6 Li + SO2 → Li2S + 2 Li2O
8 Li + SO3 → Li2S + 3 Li2O
Li2O + SO2 → Li2SO3 -438.7 kJ/mol
강제 산화(forced oxidation)와 함께 CO2 및 SO2의 연소 후 얻어진, Li2CO3 및 Li2SO4를 함유한 현탁액은 이후에, 분리되어야 한다. 다행히도, 모든 리튬-황 염은 수중에 용이하게 용해 가능하다(예를 들어, 리튬 설페이트(lithium sulfate), 실온(약 25℃)에서 350 g/l). Na2S2O5와는 상반되게, 즉시 가용성(ready solubility)은 또한, Li2S2O5 또는 Li2SO3에 의해 지니게 된다. 이는, 모든 황 화합물이 용액 중에 잔류하는 반면, Li2CO3(용해도 13 g/l)이 침전물로서 형성되고 회수(return)를 위한 상당히 순수한 생성물로서 수득될 수 있다는 것을 의미한다[WO 2010/000681호 참조]. 여기에서 리튬 설페이트의 즉시 가용성은 종래 기술의 탈황화 공정에서 제조되는 CaSO4의 즉시 가용성(2 g/l)과는 대조적이다.
이러한 모든 공정 순서들은 약간 습윤화된, 상당히 순수한 리튬 카보네이트로 종결된다. 금속성 리튬을 수득하기 위한 리튬 카보네이트의 환원은, 예를 들어, 클로라이드(chloride)를 수득하기 위한 카보네이트(carbonate)의 반응에 의해, 그리고 칼륨/리튬 클로라이드의 공융 혼합물(eutectic mixture)의 후속 전기분해에 의해 달성될 수 있다.
1. Li2CO3 + 2 HCl → 2 LiCl + H2O + CO2
(반응 엔탈피(reaction enthalpy): -96 kJ/mol
2. Li2CO3 + Cl2 → 2 LiCl + 1/2O2 + CO2
(반응 엔탈피: ~5 kJ/mol)
리튬의 생산을 위한 리튬 클로라이드의 제조 공정들에서, 통상적으로, 리튬 카보네이트 또는 리튬 하이드록사이드(lithium hydroxide) 중 어느 하나는 수용액 중에서 염산/염화수소산과 반응된다. 문헌[Juergen Deberitz, Lithium, Die Bibliothek der Wissenschaft Vol. 2, pp. 37, 2006 (ISBN-13: 978-3-937889-36-8)]에 기술된 바와 같이, 증발 및 결정화 후에, 결정은 단리되고 건조되어, 고도로 흡습성의 무수 리튬 클로라이드를 수득한다. US 6,048,507호에 기술된 바와 같이, 이러한 공정의 실질적인 문제점은 이론적으로 30 × 103 kJ/kg의 높은 에너지 요건이다. 지금까지, 화학적 전환을 위해 사용되는 에너지 공급원(energy source)이 요구되는 것에 대해 전혀 주목하지 않았다.
CA 2340528 A1호 및 US 20130001097 A1호에 기술된 추가 공정은 무수 리튬 클로라이드를 수득하기 위해 리튬 카보네이트를 염소 가스와 반응시키는 것을 포함한다. 유동층 반응기에서 미분된(pulverulent) 리튬 카보네이트로부터 무수 리튬 클로라이드의 제조는 WO 2014/005878호에 기재되어 있다.
특히, 에너지(energy) 측면에서 개선된, 금속 카보네이트로부터 금속 클로라이드의 생산을 위한 개선된 공정이 계속 요구되고 있다.
특히, 에너지 측면에서 효율적인, 금속 카보네이트로부터 금속 클로라이드의 효율적인 제조가 공정을 위한 에너지를 공급하는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 사용하여 반응을 수행함으로써 가능하게 이루어진다는 것이 발견되었다. 염소와 일산화탄소의 "부가물(adduct)"인 포스겐과 및/또는 직접 염소화 형태로 포스겐이 유리될 수 있는 유도체 디포스겐 및/또는 트리포스겐과의 반응을 통해, 금속 카보네이트의 직접 염소화는 성분 반응들, 예를 들어, 두 개의 성분 반응들로 분해될 수 있으며, 이러한 것은 전기화학적으로 유리하다.
또한, 본 발명에 따르면, 금속 클로라이드를 형성시키고, 궁극적으로 금속 카보네이트로부터 금속(M)을 형성시키기 위한 화학적 반응의 효율적인 순서가 발견되었다.
또한, 진행되는 발열 반응은 빠른 반응 과정을 보장하는데, 이는 높은 처리량을 야기시킬 수 있으며, 추가적으로, 유리된 에너지(energy)는 예를 들어, 발전소(power station) 기술을 위해 사용될 수 있다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 고체로서 금속 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐과 반응시켜 금속 클로라이드 Mx +Clx - (여기서, 금속(M)는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn, 바람직하게, Li 및 Mg, 더욱 바람직하게, Li의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)을 수득하는, 금속 클로라이드 Mx+Clx -를 제조하는 방법에 관한 것이다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 고체로서 금속 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐과 반응시켜 금속 클로라이드 Mx +Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn, 바람직하게, Li 및 Mg, 더욱 바람직하게, Li의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 수득하기 위한 장치로서,
금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기;
제1 반응기에 고체로서 금속 카보네이트를 도입하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단;
제1 반응기에 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 도입하도록 설계된, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단;
제1 반응기로부터 금속 클로라이드를 제거하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단; 및
제1 반응기로부터 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물(gaseous product)을 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 위한 제2 배출 수단을 포함하는 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 다른 양태에 따르면, 고체로서 금속 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐와 반응시켜 금속 클로라이드 Mx +Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn, 바람직하게, Li 및 Mg, 더욱 바람직하게, Li의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 수득하고, 금속(M)이 반응물로서 추가적으로 첨가되기 위한 장치로서,
금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기;
제1 반응기에 고체로서 금속 카보네이트를 도입하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단;
제1 반응기에 염소를 도입하도록 설계된, 염소를 위한 제2 공급 수단;
제1 반응기로부터 금속 클로라이드를 제거하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단;
임의적으로, 제1 반응기에 일산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 도입하도록 설계된, 일산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 적어도 하나의 제7 공급 수단; 및
제1 반응기로부터 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 위한 제2 배출 수단을 포함하며,
제1 반응기에 금속(M)을 도입하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 공급 수단을 추가로 포함하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태는 종속항들로부터 및 상세한 설명으로부터 명확하다.
첨부된 도면은 본 발명의 구체예를 예시하고 이의 추가 이해를 전달하기 위해 의도된 것이다. 설명과 함께, 이러한 것은 본 발명의 개념 및 원리를 설명하기 위해 제공된다. 다른 구체예, 및 기술된 다수의 장점들은 도면과 관련하여 명백해진다. 도면에서 구성요소는 반드시 서로 실제로 일정한 비율로 도시되지는 않는다. 동일한, 기능적으로 동일한, 및 균등한 구성요소, 특징 및 구성성분 각각은 달리 기술하지 않는 한, 도면의 도에 동일한 참조 숫자로 제공된다.
도 1은 본 발명의 방법에서 및 본 발명의 장치에서 사용될 수 있는 그리드 반응기(grid reactor)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 방법에서 및 본 발명의 장치에서 사용될 수 있는 그리드 반응기의 예시적 구체예의 상세도(detail view)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 방법에서 및 본 발명의 장치에서 사용될 수 있는 사이클론 반응기(cyclon reactor)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 방법에서 및 본 발명의 장치에서 사용될 수 있는 다른 사이클론 반응기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 예시적인 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 예시적인 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 또한, 본 발명의 다른 예시적인 구체예를 나타낸 것이다.
도 9는 전기분해 수단을 추가로 포함하는 본 발명의 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 전기분해 수단을 추가적으로 포함하는 본 발명의 다른 예시적인 구체예를 예시한 것이다.
도 11은 전기분해 수단, 제2 전기분해 수단, 및 제3 반응기를 추가적으로 포함하는 본 발명의 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 12는 또한, 전기분해 수단 및 제2 전기분해 수단을 추가적으로 포함하는 본 발명의 다른 예시적인 구체예를 도시한 것이다.
도 13은 제2 반응기를 추가적으로 포함하는 본 발명의 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 14는 전기분해 수단 및 제2 반응기를 추가적으로 포함하는, 본 발명의 예시적인 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 15는 전기분해 수단 및 제2 반응기를 추가적으로 포함하는, 본 발명의 다른 예시적인 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 16은 전기분해 수단 및 제2 반응기를 추가적으로 포함하는 본 발명의 다른 예시적인 구체예를 예시한 것이다.
도 17은 또한, 전기분해 수단 및 제2 반응기를 추가적으로 포함하는 본 발명의 다른 예시적인 구체예를 나타낸 것이다.
본 발명의 맥락에서, 일 예로서 기술된 방정식은 전체 방정식을 나타낸 것이며 일어나는 화학적 사건들이 상당히 더욱 복잡할 수 있다는 것이 주지된다.
본 발명은 일 양태에서, 금속 클로라이드 Mx +Clx -를 제조하는 방법으로서, 고체로서 금속 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐과 반응시켜 금속 클로라이드 Mx +Clx - (여기서, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함(예를 들어, Li의 경우에 1, Mg의 경우에 2, Al의 경우에 3)를 수득하는 방법에 관한 것이다. 이러한 부류의 방법은 금속(M)은 알칼리 금속, 바람직하게, Li, Na, K, Rb, Cs, 알칼리 토금속, 바람직하게, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 또한 Al 및 Zn의 군으로부터 선택된다. 특정 구체예에 따르면, 금속은 Li 또는 Mg이며, 바람직하게, 이는 Li이다. 금속들 및/또는 금속 카보네이트들 및/또는 금속 클로라이드들의 혼합물이 또한 가능하다. 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 결과로서, 에너지는 여기에서 방출될 수 있으며, 이에 따라, 다른 염소화제와의 반응을 위한 경우일 수 있는 바와 같이, 추가적인 에너지가 공급될 필요가 없다. 본원에서 특정 구체예에 따르면, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 외부 반응기에서 또는 인시튜(in situ)로 발생될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 이러한 것이 제1 반응기에서 금속 카보네이트와의 반응을 위해 공급되기 전에 외부 반응기에서 발생된다. 이러한 상황에서, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 제조에서 이미 발생된 에너지는 적합하게 이용될 수 있다.
일 예로서, 리튬 카보네이트 및 포스겐의 전환을 위한 발열 반응은 하기와 같다:
Li2CO3 + O=CCl2 → 2 LiCl + 2 CO2 (ΔHr = -167.46 kJ/mol)
유사한 에너지가 디포스겐 및/또는 트리포스겐에 대하여 발생하는데, 왜냐하면, 포스겐이 예를 들어, 가열에 의해 이로부터 유리될 수 있기 때문이다. 특정 구체예에 따르면, 본 발명의 방법에서, 및 또한, 본 발명의 장치에서, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 없이 포스겐이 사용된다.
이에 따라, 하기 텍스트(text)에서 및 또한, 본 출원의 문맥에서, 용어 "포스겐(phosgene)"은 또한, 문맥으로부터 다른 것이 뚜렷이 드러나지 않는 한, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 포함한다.
특정 구체예에 따르면, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 예를 들어, 일산화탄소 및 염소를 금속 카보네이트와의 반응이 또한 일어나는 제1 반응기에 공급함으로써, 일산화탄소 및 염소로부터 인시튜로 제조될 수 있다. 이러한 경우에, 일산화탄소 및 염소가 조작하는데 더욱 편리하고 그밖에 더욱 입수 가능하다는 장점을 지닐 수 있다. 공급된 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소 및 염소의 양은 단순한 화학양론적 및 공정-공학 고려사항(process-engineering consideration)을 기초로 하여, 공급된 금속 카보네이트의 양을 기초로 하여 적합하게 조정될 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 금속(M)은 반응물로서 추가적으로 첨가된다. 이는, 금속 카보네이트로부터 일산화탄소를 발생시키고 이후에 염소와 조합되어 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 추가 금속 카보네이트와 및/또는 예를 들어, 금속(M) 및 금속 카보네이트, 즉 금속 옥사이드(metal oxide)의 반응으로부터의 생성물과의 반응을 위한 반응기에서 "인시튜(in situ)"로 사용되는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 또한, 발열 반응은 자체적으로 수행될 수 있다. 또한, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 인시튜 제조의 결과로서, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 공급이 방지될 수 있으며, 대신에, 염소가 첨가될 수 있는데, 이는 조작을 더욱 편리하게 할 수 있다.
또한, 특정 구체예에 따르면, 금속(M)은 금속 카보네이트와 함께 사용되며, 이에 따라, 예를 들어 염소가 첨가되기 전에 금속과 금속 카보네이트의 반응이 이미 존재하게 할 수 있게 한다. 또한, 염소 및 일산화탄소가 일산화탄소와는 다른 방식으로, 인시튜에서 금속(M)과 금속 카보네이트 간의 이러한 부류의 반응으로부터, 다시 말해서, 임의의 요망되는 방식으로, 예를 들어, 일산화탄소의 추가적인 사용에 의해 제조되는 것이 가능하다. 이는 또한, 예를 들어, 금속 카보네이트와 금속(M)의 반응이 완전한 전환을 통한 반응의 CO 수요를 보장하기 위해 충분한 일산화탄소를 제공하지 못하는 경우에, 금속(M)의 공급에 추가적으로 부가될 수 있다. 그러나, 일산화탄소 대신에, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 자체는 또한, 불충분한 일산화탄소가 금속 카보네이트와 금속(M)의 반응을 통해 제공될 수 있는 경우에, 추가적으로 공급될 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 추가적으로 첨가되는 금속(M)은 또한, 금속 카보네이트의 금속 이온과는 다른 금속일 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 리튬 카보네이트가 사용된 금속 카보네이트인 경우에, 리튬, 소듐, 칼륨, 칼슘 및/또는 마그네슘이 첨가될 수 있다. 일반적으로 말하면, 이후에 금속 클로라이드의 전기분해에 해를 끼치지 않는 금속을 첨가하는 것이 가능하다. 특정 구체예에 따르면, 금속 카보네이트의 금속과는 다른, 이러한 부류의 금속은 또한, 예를 들어, 공융 혼합물(eutectic mixture)이 금속 클로라이드의 전기분해를 위해 형성될 수 있는 경우에 유리할 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 금속(M)은 금속 카보네이트의 금속에 해당한다.
예를 들어, 금속으로 리튬의 경우에, 반응의 방정식은 하기와 같이 기술된다.
Li2CO3은 금속성 리튬과 혼합된다. 이는 Li2O 및 CO를 형성한다:
Li2CO3 + 2 Li → 2 Li2O + CO ΔHr = -90.29 kJ/mol
이러한 반응은 본질적으로 발열성이고, 이에 따라, 그 자체를 지지할 수 있다.
동일한 반응기에서, 리튬 옥사이드는 CO 및 Cl2 및/또는 포스겐과 추가로 반응되어 리튬 클로라이드를 수득할 수 있다:
Cl2 + CO → O=CCl2 (포스겐) ΔHr = -109.55 kJ/mol
디포스겐 및/또는 트리포스겐은 또한 포스겐으로부터 제조될 수 있거나, 대안적으로, 일산화탄소 및 염소로부터 직접적으로 제조될 수 있다.
포스겐은 이후에 상술된 바와 같이, 리튬 카보네이트와, 또는 그밖에 리튬 옥사이드와 추가로 반응될 수 있다:
Li2O + O=CCl2 → 2 LiCl + CO2 ΔHr = -392.08 kJ/mol
이에 따라, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 또한, 염소 대기와 함께 리튬 카보네이트 상에 리튬의 주입 동안 인시튜로 직접적으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 예를 들어, 가열 디바이스(heating device)에 의해 추가적인 열 에너지가 반응에 제공되지 않는 것이 가능하지만, 적합한 디바이스(device), 예를 들어, 광 아크(light arc), 레이저(laser), 등에 의한, 반응의 개시 목적을 위한 반응물의 점화가 요구될 수 있다. 또한, 예를 들어, 하나 이상의 열 교환기에 의해 본 방법으로부터 열 에너지를 회수하는 것이 가능하며, 에너지는 이후에 예를 들어, 스팀 발생기(steam generator)를 구동시키기 위해 스팀(steam)을 발생시키기 위해 및/또는 금속 카보네이트 및/또는 공급되는 경우에 금속(M)의 가열을 위한 것과 같이, 발전소 기술에서 사용될 수 있으며, 이는 보다 용이하게 처리할 수 있다. 반응 엔탈피(reaction enthalpy)는 이러한 것이 상기에 나타낸 바와 같이, 발전소 기술에서(유사하게 쓰레기 소각시설(refuse incineration plant)에서)의 사용을 위해 충분한 수준을 지닐 수 있다. 유사한 방정식은 사용될 수 있는 다른 금속(M)에 대해 형성되며, 여기서, M은 알칼리 금속, 바람직하게, Li, Na, K, Rb, Cs, 알칼리 토금속, 바람직하게, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 또한 Al 및 Zn의 군으로부터 선택된다. 특정 구체예에 따르면, 금속은 Li, K 또는 Mg이며, 바람직하게, 이는 Li 또는 K, 더욱 바람직하게, Li이다.
특정 구체예에 따르면, 금속(M)은 첨가되는 경우에, 충분한 일산화탄소가 공급된 염소와의 반응을 형성시키는, 바람직하게 반응을 완료하는 금속/금속 카보네이트 중량 비율로 조정된다. 여기서, 또한, 추가적으로, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 첨가하거나, 일산화탄소를 추가적으로 공급하는 경우에 발생되는 일산화탄소의 양이 공급되는 염소와의 반응을 위해, 바람직하게 반응을 완료하기 위해 일산화탄소의 총량이 충분하도록 하게 하는 것이 가능하다. 발생된 일산화탄소, 임의적으로 공급된 일산화탄소, 공급된 염소, 및 임의적으로 공급된 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 양은 화학양론적 및 공정-공학 요건을 기초로 하여, 그리고 금속 카보네이트 및 금속의 공급된 양을 기초로 하여, 용이하게 적절하게 결정될 수 있다.
예를 들어, 재생 가능한 에너지(renewable energy)로부터 과량의 에너지를 이용하는 금속 클로라이드의 전기분해에 의해 발생되는 충분한 금속(M)이 존재하는 경우에, 또한, 예를 들어, 가끔, 재생 가능한 에너지로부터 과량의 에너지가 존재하지 않기 때문에, 보다 높은 비율의 금속(M)을 첨가하는 것이 가능하며, 이에 따라, 그러한 경우에, 본 발명의 방법에서 추가적으로 발생되는 열 에너지로부터 전류가 추가적으로 발생될 수 있다. 이러한 경우에, 금속(M)은 한 부류의 에너지 저장물(energy store)을 나타내며, 이는 재생 가능한 에너지로부터 과량의 에너지를 사용하여 발생되고, 이후에 필요한 경우에 에너지를 방출한다.
특정 구체예에 따르면, 본 발명의 방법에서 금속(M)은 금속 카보네이트와 함께 사용될 수 있다. 이에 따라, 이러한 방식으로, 본 방법은 단순화될 수 있고, 또한, 본 방법을 실행시키기 위한 장치도 단순화될 수 있다. 금속(M) 및 금속 카보네이트가 제1 반응기의 개구를 통해 공급되는 경우에, 또한, 에너지의 방출이 금속(M)과 금속 카보네이트의 혼합에 의해 적합하게 최적화될 수 있는 가능성을 제공하는 것이 가능하다. 금속(M)은 예를 들어, 고체로서, 예를 들어, 입자 형태로, 및/또는 액체로서, 용융물 형태와 같은 다양한 형태로 사용될 수 있으며, 입자 또는 액체의 경우에, 이는 본원에서 또한 분무화될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 포스겐은 가스상 형태로, 냉각 후에 임의적으로 액체 형태로, 및/또는 적합한 용매 중의 용액으로서, 또는 다른 형태로 첨가될 수 있지만, 이는 바람직하게, 가스상 또는 액체 형태로, 더욱 바람직하게, 가스상 형태로 첨가된다. 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 액체 형태로 또는 고체로서, 또는 대안적으로, 가스(gas)로서 첨가될 수 있다. 염소 및 임의적으로 일산화탄소가 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 인시튜 발생을 위해 첨가되는 경우에, 이러한 것은 적합한 형태, 바람직하게, 가스상으로 첨가될 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 금속 카보네이트, 임의적으로, 금속(M), 및 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 건식 전환/반응이 존재하며, 다시 말해서, 용매가 사용되지 않으며, 바람직하게, 단지 금속 카보네이트, 임의적으로, 금속(M) 및 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐, 및/또는 임의적으로, 일산화탄소 및 염소가 제1 반응기에 도입되고 반응된다. 또한, 특정 구체예에 따르면, 회로(circuit)에 후속하여 다시 분리되어야 하는 추가의 물질들이 도입되지 않는다.
금속 카보네이트 및 금속(M)과 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응은 예를 들어, CO2, CO, 등과 같은 가스 생성물(gaseous product)을 형성시킬 수 있다. 이러한 생성물은, 예를 들어, 배출 수단을 이용하여, 대기로 배출될 수 있고/거나 유용한 생성물로서 저장될 수 있고/거나, 추가 반응을 야기시킬 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 과량의 CO는 알칸(alkane), 알켄(alkene), 알코올(alcohol), 등을 형성시키기 위해 수소와 반응될 수 있다.
임의적으로 공급된 일산화탄소는 임의의 요망되는 공급원으로부터 비롯될 수 있다. 산업적으로, 예를 들어, 필요한 일산화탄소는 또한, 하기 반응에 의해 제조될 수 있다:
CO2 → CO + ½ O2 ΔHr = 282.97 kJ/mol
일산화탄소의 형성은 고온 또는 산소 결핍에 의해 증진된다. 부다 평형상태(Boudouard equilibrium)에 따르면, 연소 과정에서 형성되는 이산화탄소는 마찬가지로 일산화탄소를 수득하기 위해 탄소와 반응될 수 있다:
CO2 + C → 2 CO ΔHr = 172.45 kJ/mol
그러나, 전기분해적으로 얻어지는 전기화학적으로 제조된 CO가 바람직하다.
이는 애노드에서 얻어진 산소가 용이하게 분리되고 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 특정 구체예에 따르면, 이러한 경우에 금속 클로라이드의 전기분해와 함께, 흡열 반응, 다시 말해서, 염소, 일산화탄소 및 금속의 제조를 위한 반응은 과량의 에너지에 의해 수행될 수 있으며, 발열 반응에서, 에너지는 이후에, 예를 들어, 과량의 에너지가 존재하지 않고/거나 추가 에너지가 요구되지 않는 경우에, 이러한 반응물로부터 방출될 수 있다.
염소와의 직접 반응을 갖는 방법에서, 산소는 반응기의 가스 부분으로 얻어지고, 고가이고 불편한 절차에서 잔류 가스로부터 분리되어야 한다. 실증적인 반응(empirical reaction)은 매우 느리게 진행할 것인데, 왜냐하면, 에너지 전환이 매우 작기 때문이다:
Li2CO3 + Cl2 → 2 LiCl + ½ O2 + CO2
(반응 엔탈피(reaction enthalpy): -5 kH/mol)
단지 발열 반응은 본 발명의 방법을 통해 제1 반응기에서 일어나며, 흡열성 성분 반응은 예를 들어, 또한, 금속 클로라이드의 금속(M) 및 염소로의 전기분해와 같이 전기화학적으로 수행되며, 이는 특정 구체예에 따라 일어난다.
예를 들어, 전기분해에 의한 일산화탄소의 전기화학적 제조는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 문헌[Y. Hori, Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes, in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189]에서 확인될 수 있으며, 이러한 문헌은 이산화탄소의 전기분해와 관련하여 참고로 포함된다.
CO2의 전기분해를 위하여, 일반적으로, 금속은 촉매로서 사용되며, 이를 위한 예시적인 금속은 문헌[Y. Hori, Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes, in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189]으로부터 얻어진 하기 표 1에 특징되어 있다.
표는 다양한 금속 전극의 통상적인 파라데이 효율(Faraday efficiency)을 나타낸 것이다. 예를 들어, Ag, Au, Zn, Pd, 및 Ga에 대하여, CO2는 거의 배타적으로 CO로 환원되며, 구리에 대하여, 환원 생성물로서 다수의 탄화수소가 존재한다. 이에 따라, 금속 전극은 일산화탄소의 생산을 위해 적합하게 선택될 수 있다.
표 1: 다양한 금속 전극에 대한 이산화탄소의 파라데이 효율
Figure 112016079706246-pct00001
하기 반응의 방정식은 일 예로서, 은 캐소드에 대한 환원을 위한 캐소드(cathode)에서 그리고 애노드(anode)에서의 반응을 기술한 것이다. 다른 금속에 대한 환원은 이와 유사하다.
캐소드: 2 CO2 + 4 e- + 4 H+ → 2 CO + 2 H2O
애노드: 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-
하기 반응의 방정식은 이를 위한 전체 반응, 및 또한 표준 형성 엔탈피를 나타낸 것이다:
CO2 → CO + ½ O2 ΔHr = 282.97 kJ/mol
적합한 애노드, 캐소드, 임의적으로 막, 등을 포함하는 이산화탄소의 전기분해를 실행시키기 위한 적합한 전기분해 수단/전기분해 전지는 적절하게 선택될 수 있고, 심지어 이러한 타입의 측면에 있어서 제한되지 않는다.
사용되는 전해질은 KHCO3 또는 유사한 염을 갖는 수성 시스템(aqueous system)을 포함할 수 있다. 이러한 전기분해가 갖는 주요 문제점들 중 하나는 전해질이 낮은 전압 강하를 갖기 위해 매우 고도로 전도성이어야 할 뿐만 아니라, 환원을 위한 전극에서 이용 가능한 충분한 CO2를 제조하기 위해 양호한 CO2 용해도를 가져야 한다는 것이다. 이는 수중 CO2의 낮은 용해도(1 bar 및 20℃에서 1 ℓ당 ~ 3 g의 CO2)로 인하여 어렵다. 상세하게, 높은 전류 밀도에서, 물의 분열(scission)은 일반적으로 수성 시스템에서 우세한데, 왜냐하면, 불충분한 CO2 분자가 환원을 위한 캐소드에서 이용 가능하기 때문이다.
CO2를 환원시키기 위한 이온성 액체의 사용은 지금까지 문헌에 광범위하게 기재되어 있지 않다. 하기 두 가지 문헌은 공지된 화합물 [EMIM]BF4 (하기에 도시된 화학식)를 이용된다:
- Reduction of CO2 to CO over silver electrode: B. A. Rosen, A. Salehi-Khojin, M. R. Thorson, W. Zhu, D. T. Whipple, P. J. A. Kenis, and R. I. Masel, Science 334, 643 - 644 (2011).
- Reduction of CO2 to CO over bismuth electrode: J. L. DiMeglio, and Rosenthal Joel, Journal of the American Chemistry Society 135, 8789-8801 (2013).
Figure 112016079706246-pct00002
1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 ([EMIM]BF4)
특정 구체예에 따르면, 이산화탄소의 전기분해에서 캐소드 공간 및 애노드 공간이 특별히 제한되지 않는다.
전기분해에서, 이산화탄소는 전해질에 용해된 형태 및/또는 가스상 형태로 존재할 수 있다.
전해질이 추가로 수용액의 형태로 존재하는 것이 환경적으로 바람직하다는 특정 구체예가 존재한다. 여기서 전해질은 이산화탄소의 용해(가능하게, 물리적 용해)가 가능한 한 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 이는 KCl, K2SO4, KHCO3 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 본래, 양이온들 및 음이온들의 임의의 조합은 전해질 염으로서 제공될 수 있으며, 단, 이러한 것은 CO2 전기분해를 위해 요구되는 전류 밀도를 가능하게 한다.
특정 구체예에 따른 전기분해는 캐소드로서 CO2 환원 촉매 및/또는 애노드로서 산화 촉매를 사용하여 수행될 수 있다. 여기서, 캐소드-측 반응은 캐소드 물질에 따르고, CO를 발생시키는 한 제한되지 않는다. 적합한 캐소드 물질의 예는 금, 은, 아연, 팔라듐(palladium), 갈륨(gallium), 카드뮴(cadmium), 및 또한 물질들의 혼합물 또는 합금을 포함한다. 애노드 물질은 특별히 제한되지 않으며, 이는 물의 전기분해에서 사용될 수 있는 모든 애노드 물질을 포함하며, 이의 예에는 백금, 루테늄(ruthenium) 또는 흑연을 기반으로 한 애노드가 있다.
특정 구체예에 따르면, 캐소드-측 전해질 및 애노드-측 전해질은 동일할 수 있다. 이러한 구체예에서, 막이 존재하지 않는 전기분해 전지는 이산화탄소의 전기분해를 위해 충분할 수 있다. 그러나, 이는 이러한 구체예에서 막을 갖는 전기분해 전지를 배제하지 않으며, 이는 막 그리고 인가된 전압과 관련하여 추가적인 비용 및 복잡성을 수반한다.
특정 구체예에서, 이산화탄소 전기분해를 위한 전기분해 전지는 전해질들의 혼합을 방지하기 위해, 전기분해 전지의 캐소드 공간 및 애노드 공간을 분리하는 막을 갖는다. 이러한 경우에서 막은 캐소드 공간 및 애노드 공간을 분리시키는 한 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이는 애노드로의 이산화탄소의 및/또는 이의 용해된 형태의 크로스오버(crossover)를 실질적으로 방지한다. 하나의 바람직한 막은 예를 들어, 폴리머를 기반으로 한 이온성 교환 막이다. 이온성 교환 막의 하나의 바람직한 물질은 설폰화된 테트라플루오로에틸렌 폴리머(sulfonated tetrafluoroethylene polymer), 예를 들어, Nafion®, 예를 들어, Nafion® 115이다. 폴리머 막(polymer membrane) 외에, 또한, 세라믹 막(ceramic membrane)을 사용하는 것이 가능하며, 이의 예에는 EP 1685892 A1호에서 지칭된 것이 있다.
이산화탄소 전기분해를 위한 전해질이 특별히 제한되지 않으며, 단, 이산화탄소의 용해(가능하게 물리적 용해)를 가능하게 한다. 이는 예를 들어, KCl, KBr, KI, K3PO4, K2SO4, KHCO3 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전해질 또는 전해질 용액에 하나 초과의 화합물의 존재는 배제되지 않는다. 본래, 양이온 및 음이온의 임의의 조합은 전해질 염으로서 제공될 수 있으며, 단, 이러한 것은 요망되는 전류 밀도를 허용한다.
특정 구체예에서, 전해질은 이온성 성분, 예를 들어, 염을 포함한다. 이러한 성분은 바람직하게, 실온에서 낮은 점도를 지닌다. 이러한 부류의 물질은 이온성 액체로서 지칭된다. 특정 구체예에 따른 이온성 액체는 300℃ 미만, 바람직하게 100℃ 미만, 더욱 바람직하게 50℃ 미만의 융점을 갖는 유기 염으로서, 이는 임의적으로 상술된 KCl, K2SO4, KHCO3 또는 이들의 혼합물 이외에 특정 구체예에 따른 전해질에 첨가될 수 있다.
이온성 액체는 일 예로서, 적절한 음이온을 갖는, 이미다졸륨(imidazolium), 피리디늄(pyridinium), 피롤리디늄(pyrollidinium), 피페리디늄(piperidinium), 유기적으로 치환된 포스포늄(phsphonium), 유기적으로 치환된 설포늄(sulfonium), 모르폴륨(morpholinium), 구아니디늄(guanidinium) 양이온을 기반으로 한 것이다.
이러한 음이온은 할라이드(halide), 또는 착물 할라이드(complex halide), 예를 들어, BF4 - 또는 PF6 -, 카복실레이트(carboxylate), 설페이트(sulfate), 트리플레이트(triflate), 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 카보네이트(carbonate), 또는 하이드로겐 카보네이트(hydrogen carbonate) 등일 수 있다.
특정 구체예에서, 금속 카보네이트 및 금속(M)과 염소화제의 반응 이후에, 금속 클로라이드는 바람직하게, 전기분해에 의해 금속(M)으로 다시 전환된다. 전기분해 이외에, 전환은 또한, 다른 적합한 방식으로 일어날 수 있다.
예를 들어, 리튬에 대하여, 반응의 방정식은 하기와 같다:
LiCl → Li + ½ Cl2 ΔHr = 408.59 kJ/mol
본원에서 바람직한 전기분해에 대해서는 특별히 제한되지 않으며, 바람직한 전기분해는 예를 들어, 화학식 Mx +Clx -의 화합물의 용융 플럭스 전기분해(melt flux electrolysis), 또는 화학식 Mx +Clx -의 화합물의 수용액의 전기분해를 포함할 수 있다.
저온에서 더욱 효율적인 전기분해를 달성하기 위하여, 예를 들어, 화학식 Mx+Clx -의 화합물과의 공융 염 혼합물은 융점을 낮추기 위해, 예를 들어, 적합한 첨가제의 첨가에 의해 발생될 수 있으며, 이러한 염 혼합물은 이후에 전기분해된다. 그러나, 그러한 경우에, 가능한 단점으로는 금속(M)이 다른 금속과의 혼합물로서 얻어지고 이에 따라 이러한 것들로부터 분리되어야 한다는 것이다. 예를 들어, 금속(M)으로서 Li를 사용하는 경우에, 이는 예를 들어, LiCl의 전기분해의 경우에, 저-용해도 리튬 카보네이트(lithium carbonate) 보다 늦게 분리될 수 있으며, 이에 따라, 이러한 단점은 자동적으로 발생하지 않는다.
특정 구체예에서, 금속 카보네이트 및 임의적으로 금속(M)과 포스겐, 디포스겐 및 트리포스겐의 반응에서, 본 발명에 따르면, 추가 열 에너지가 회수될 수 있고, 전기 에너지(electrical energy)로 회수될 수 있고/거나 적절한 경우에, 금속(M) 및/또는 금속 카보네이트를 사전가열시키기 위해 사용될 수 있다. 전기 에너지는 또한, 상기에 기술된 바와 같이, 금속 클로라이드의 전기분해를 위해, 또는 이산화탄소의 전기분해에서 사용될 수 있으며, 여기서, 후자가 공급된다. 바람직한 구체예에 따르면, Mx +Clx -의 M 및 Cl2로의 전기분해적 전환을 위한 및 또한 임의적으로 CO2의 CO로의 전기분해적 전환을 위한 에너지는 실질적으로 재생 가능한 에너지 및/또는 통상적인 발전소로부터의 과량의 에너지로부터, 다시 말해서, 예를 들어, 고려되는 전기분해의 에너지 요건을 기준으로 하여, 30% 초과, 바람직하게 70% 초과, 더욱 바람직하게, 80% 초과, 및 매우 바람직하게, 90% 초과 정도로 제공된다. 재생 가능한 에너지로부터의 과량의 에너지는 이러한 목적을 위해, 예를 들어, 소비자에 의해 인출되는 것 보다 보다 큰 전력이 재생 가능한 및/또는 통상적인 에너지 공급원에 의해 제공될 때, 이용 가능하다. 본원에서 보다 특히, 태양 발전소(solar plant), 풍력 발전소(wind plant), 수력 발전소(water power plant), 지열 발전소(geothermal plant), 바이오 전력 발전소(bio power plant)(바이오매스(biomass)), 등과 같은 재생 가능한 에너지 공급원에 의해 과량으로 제공되거나 이의 발생 시에 소비자에 의해 지역적으로(locally), 국지적으로 및/또는 범국지적으로(supra regionally) 인출되지 못할 수 있는 에너지가 언급된다. 본원에서, 에너지가 또한, 다른 공급원으로부터, 예를 들어, 통상적인 전력 공급원으로부터 및/또는 금속 카보네이트 및 임의적으로 금속(M)과 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응에서 상기-발생된 에너지로부터 획득되는 것이 가능하다. 특히 바람직한 구체예에 따르면, 화학식 Mx +Clx -의 화합물의 전기분해를 위해 및/또는 CO2의 CO로의 전기분해적 전환을 위해 사용되는 에너지는 재생 가능한 에너지 공급원으로부터 100% 획득되며, 전기분해 수단의 작동을 위해, 예를 들어, 조명 목적을 위해 또는 펌프(pump)를 작동시키는 것 등과 같은, 화학식 Mx+Clx -의 화합물의 전기분해, 또는 CO2의 전기분해와 직접적으로 관련되지 않은 에너지는 또한, 다른 에너지 공급원으로부터 비롯될 수 있지만, 또한, 재생 가능한 에너지 공급원으로부터 비롯될 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 발생된 금속(M)은 예를 들어, 금속 카보네이트를 수득하고 이에 따라 금속 회로를 형성시키기 위해, 이산화탄소와, 20 중량% 초과, 50 중량% 초과, 또는 80 중량% 초과, 90 중량% 초과 또는 95 중량% 초과의 정도로 적어도 일부 반응된다. 또한, 금속 카보네이트를 수득하기 위해 형성된 금속(M)과 이산화탄소의 완전한 반응(100 중량%)이 인식 가능하다. 이는 예를 들어, 금속(M)에 대한 시장 수요, 및/또는 그 밖에, 예를 들어, 재생 가능한 에너지로부터의 과량의 에너지와 같은, 에너지의 이용 가능성에 따를 수 있다. 대안적으로, 금속(M)은 또한, 예를 들어, 금속 니트라이드(metal nitride)의 초기 제조에 의해 금속 카보네이트를 수득하기 위해 이산화탄소와의 제1의 상이한 반응 후 반응될 수 있고, 이후에, 가수분해 후에, 금속 카보네이트를 수득하기 위해 이산화탄소와 반응한다. 또한, 금속(M)과 이산화탄소의 직접 반응, 및 금속(M)과 예를 들어, 질소의 제1의 상이한 반응 및 이산화탄소와의 후속 반응 둘 모두가 존재할 수 있으며, 그러한 경우에, 여기에서 또한, 20 중량% 초과, 50 중량% 초과, 또는 80 중량% 초과, 90 중량% 초과, 또는 95 중량% 초과의 금속(M)이 반응될 수 있다. 또한 여기서, 금속 카보네이트를 수득하기 위한 형성된 금속(M)의 완전한 반응(100 중량%)이 인식 가능하다.
이러한 부류의 금속 회로에서, 개개 단계들, 즉, 금속 카보네이트 및 임의적으로 금속(M)과 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응, 금속(M) 및 염소를 수득하기 위한 금속 클로라이드의 반응, 임의적으로 CO의 발생, 예를 들어, CO2의 CO로의 전기분해적 전환, 및 또한, 금속(M)과 이산화탄소의 반응은 상이한 시간에, 예를 들어, 상이한 날, 달 또는 계절에, 예를 들어, 재생 가능한 에너지로부터의 과량의 에너지의 이용 가능성에 따라, 및 또한 상이한 위치에서 일어날 수 있으며, 이러한 경우에, 형성된 개개 화합물들, 금속 클로라이드, 금속(M), 염소 및 금속 카보네이트, 및 또한, 적절한 경우, 일산화탄소는 적합한 방식으로, 예를 들어, 기차, 트럭(truck), 배, 컨베이어 벨트(conveyor belt), 파이프(pipe), 등에 의해 개별 위치로 이송될 수 있고, 거기에 및/또는 임의적으로 이의 발생 위치에서 저장될 수 있다. 또한, 형성된 염소로부터, 임의적으로 이산화탄소와 함께, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 재생시키고, 이러한 반응 동안 금속 카보네이트에 금속(M)의 추가적인 첨가의 경우에 이를 사용하고, 이에 따라 저장하거나 이를 이송시키는 것이 가능하다.
금속(M) 및 이산화탄소로부터 금속 카보네이트를 발생시키기 위한 공정 및 또한 장치는 임의로 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 임의적으로 금속(M)의 발화와 함께, 이산화탄소-함유 대기에서, 임의적으로, 금속(M)의 용융 및/또는 사전가열과 함께, 금속(M)의 연소를 포함할 수 있으며, 여기서, 또한, 에너지를 필요로 하는 개개 작업들은 예를 들어, 재생 가능한 에너지로부터의 과량의 에너지, 또는 대안적으로, 임의적으로, 금속(M)과 이산화탄소의 발열 연소로부터의 에너지를 사용하여 수행될 수 있다. 금속(M) 및 이산화탄소 또는 예를 들어, 또한, 공기, 질소, 등을 포함하는 이산화탄소-함유 대기의 반응에서, 또한, 아세틸렌, CO, 수소, 산소, 암모니아(ammonia), 등과 같은 유용한 다양한 가능한 가스 생성물을 얻는 것이 가능하며, 이는 추가로 반응되거나 저장되고/거나 이와 같이 사용될 수 있다. 이러한 문맥에서, 또한, 금속 카보네이트가 다른 고체와의 혼합물로 얻어지는 것이 가능할 수 있으며, 이로부터, 이는 적절한 경우에 분리될 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 금속 카보네이트 및 임의적으로 금속(M)과 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응은 그레이트 반응기(grate reactor)에서 또는 기계적 이동식 고정층 반응기(mechanically moved fixed-bed reactor)에서, 또는 사이클론 반응기(cyclone reactor)에서 일어난다.
그레이트 반응기, 기계적 이동식 고정층 반응기, 및 사이클론 반응기는 본원에서, 본 발명에 따라 특별히 제한되지 않는다.
특정 구체예에 따르면, 반응은 금속(M)이 가스로서 첨가되는 경우에, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 염소 및 임의적으로 일산화탄소가 금속 카보네이트 및 임의적으로 금속(M)과 동방향으로 첨가되고/거나 염소화제가 사전가열되는 그레이트 반응기에서 일어난다.
예시적인 그레이트 반응기는 도 1에 도시되어 있다. 카보네이트포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 염소 및 임의적으로 일산화탄소를 위한 공급 수단(11)을 통해, 금속 카보네이트는 그레이트 반응기로 도입되며, 이에 따라, 금속 카보네이트 층(12)은 그레이트(13) 상에 형성된다. 금속 카보네이트의 공급은 또한, 임의적으로, 금속(M)과 함께, 예를 들어, 조인트 개구(joint opening)를 통해 또는 별도의 개구 및/또는 공급 수단을 통해 일어날 수 있다. 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 공급(14)은 그레이트(13)를 통해 일어난다. 도 1에 도시된 바와 같이, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 공급(14)은 전체 그레이트(13)에 걸쳐 일어날 수 있지만, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 또한, 단지 그레이트(13)의 부분 영역에, 예를 들어, 금속 카보네이트를 위한 공급 수단(11) 부근에 공급되고/거나 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 공급(14)이 그레이트(13)의 상이한 위치에 상이한 양의 물질 및/또는 질량 및/또는 부피와 함께 일어나는 것이 불가능하지 않다. 또한, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 대신에, 또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐에 추가하여, 금속(M)의 공급에 따라, 조인트(joint) 뿐만 아니라 별도의 공급 수단에 의해 염소 및 임의적으로 이산화탄소를 공급하는 것이 가능하다. 또한, 공급된 금속 카보네이트 및 임의적으로 금속(M)은 특정 구체예에 따르면, 공급되기 전에 예를 들어, 가열 수단에 의해, 및/또는 가열된 오프가스(offgas) 및/또는 가열된 고체 및/또는 가열된 액체를 통해, 본 발명의 작업에서 가열될 수 있다. 결국에는, 반응된 및/또는 가능하게 미반응된 고체는 예를 들어, 드롭 샤프트(drop shaft)(16)를 통해, 금속 클로라이드를 포함하는 고체를 위한 인출 수단(takeoff means)(15)을 통해 인출될 수 있다. 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물은 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스 생성물을 위한 인출 수단(17)을 통해 인출될 수 있다.
또한, 그레이트 반응기(grate reactor)는, 특정 구체예에 따르면, 하나 이상의 냉각 수단 및/또는 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기는 예를 들어, 반응 챔버에 제공될 수 있고, 발생된 열을 스팀으로 전환시킬 수 있으며, 이는 이후에, 예를 들어 발전기를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.
그레이트는 고체를 오랜 체류 시간과 함께 전환시키기 위해 확립된 것이며, 이의 일 예는 일 예로서, 문헌[Loo, Sjaak van; Koppejan, Jaap: Handbook of Biomass Combustion. London: Earthscan, pp. 134-144, 2008]에 기술된 바와 같이 그레이트 소성(grate firing)이다. 그레이트 소성의 원리는 널리 알려져 있고, 크게 발달되었다. 또한, 일 예로서 도 1에 도시된 바와 같이, 반응에서 참여하는 고체는 그레이트(13)의 상부 단부에서 공급될 수 있다.
반응기의 연속 작동을 보장하기 위하여, 고체가 반응 공간으로부터 그레이트(13)를 통해 이송되어야 하기 때문에, 그레이트는, 특정 구체예에 따르면, 고체를 이송시킬 수 있는 이동 부분으로 이루어진다. 도 2는 이러한 이송을 위한 예시적인 더욱 발전된 그레이트의 원리를 개략한 것이다. 이러한 그레이트와 관련하여, 그레이트(13)는 개개 바(bar)(13a, 13b)로부터 구성되며, 이러한 것들 중 예를 들어, 모든 제2 바(13a)는 수평으로 이동 가능한 반면, 다른 바(13b)는 고정된다. 결과적으로, 고체의 수송 및 급탄(stoking) 둘 모두는 충분히 보장될 수 있다. 여기에서, 모든 이동 가능한 바는 예를 들어, 공통 드라이브(common drive)를 지닐 수 있고, 이에 따라, 동일한 시기에 이동될 수 있다.
다른 옵션(option)은 바를 그룹(group)들로 구동시키거나 심지어 이러한 것들을 개별적으로 구동시켜, DE 10137520 A1호에 의해 기술된 바와 같이, 반응 공정을 매우 정밀하게 제어하고 완전한 반응을 보장하게 할 수 있다. 그레이트 로드(grate road)의 적절한 이동 패턴(movement pattern)은 금속 카보네이트, 임의적으로 금속(M) 및/또는 금속 클로라이드를 포함하는 고체 스트림(solid stream)(18)으로서, 그레이트 상에 놓이는 연료/고체의 층 두께의 조절 및 표준화를 가능하게 할 수 있다. 이에 따라, 그레이트의 하부측면(그레이트후부(undergrate))으로부터의 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 염소 및 임의적으로 일산화탄소를 포함하는 공급되는 예시적인 공정 가스(process gas)와 관련하여, 고체 층은 이를 통한 균일한 흐름을 가지며, 대안적으로, 공정 가스는 또한 달리 공급될 수 있다. 하부측면으로부터의 통류(through-flow)를 갖는, 도시된 변형예는 고체의 균일한 반응 뿐만 아니라 먼지 생산량(output)의 최소화를 야기시킬 수 있다. 균일한 완전한 반응 및 낮은 먼지 배출 둘 모두를 보장하기 위하여, 특정 구체예에 따르면, 층 두께는 예를 들어, 적절한 센서(sensor) 및/또는 카메라(camera)를 이용하여 모니터링(monitor)될 수 있고/거나, 전체 층 영역에 걸쳐 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 염소 및 임의적으로 일산화탄소의 공급이 조절될 수 있다.
또한, 도 2는 동방향으로 배출 수단(17)에 의한 예시적인 전환된 공정 가스의 배출을 도시한 것이며, 이는 일 예로서, 일어날 수 있지만, 또한, 둘 이상의 배출 수단(17)이 제공되거나 전환된 공정 가스가 다른 방식으로 배출되는 것이 가능하다. 과량의 가능한 일부 미반응된 공정 가스의 배출은, 예를 들어, 특정 구체예에 따르면, 반응기 챔버(reactor chamber)로부터 고체 배출의 종결 시에 달성된다.
예시적인 작업은 그레이트 반응기에서 금속 카보네이트로서 리튬 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응이다. 염소 가스를 사용할 때 일산화탄소를 형성시키기 위하여, 리튬은 금속(M)으로서 사용될 수 있다. 리튬은 반응기에, 예를 들어, 액체 또는 원자화된 형태로 (예를 들어, > 180℃의 온도까지 가열되고 원자화되는, 고체 리튬을 통해) 도입될 수 있거나, 고체 리튬 입자 형태로 혼합될 수 있다.
발열성인 상기 작업과 함께, 예를 들어, 열 교환기는 그레이트 반응기에 제공되고, 발생된 열을 배출시키는 것이 가능하며, 스팀이 물로부터 발생되는 것이 가능하며, 스팀은 발전을 위해 발전기를 작동시킨다. 병류 실행의 결과로서, 특정 구체예에 따르면, 반응된 금속 카보네이트는 배출 수단 쪽으로 냉각될 수 있다. 금속, 예를 들어, 리튬이 첨가되는 경우에, 또한, 가능한 한 열의 과도한 발생을 방지하기 위해 첨가되는 양이 필요한 정도인 것이 가능하다.
다른 특정 구체예에 따르면, 이러한 반응은 사이클론 반응기에서 일어날 수 있는데, 이는 특정 구체예에 따르면, 냉각되고/거나, 여기에서 임의적으로, 금속(M)은 반응 영역에서 상이한 위치에 도입된다.
예시적인 사이클론 반응기는 도 3 및 도 4에 도시되어 있는데, 도 3에 도시된 사이클론 반응기가 금속 카보네이트를 위한 공급 수단(11)을 포함하는 반면 도 4에 도시된 사이클론 반응기가 금속 카보네이트를 위한 별도의 공급 수단(11a)을 지니고 금속(M)을 위한 별도의 공급 수단(11b)를 지니는 것을 제외하고, 도 3 및 도 4에서의 사이클론 반응기는 거의 동일한 구조를 갖는다. 또한, 도시된 두 사이클론 반응기 모두는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한, 및 도 4의 경우에 또한 염소 및 임의적으로 일산화탄소를 위한 공급 수단(14), 금속 클로라이드를 포함하는 고체 물질을 위한 배출 수단(15), 및 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스 생성물을 위한 배출 수단(17)을 가지며, 그러한 경우에, 이는 예를 들어, 회전 대칭성 상부 부분 형태의 반응 영역(21), 예를 들어 도면에 도시된 바와 같이 원뿔 디자인(conical design)을 갖는 분리 영역(22), 유출 챔버(letdown chamber)(23), 및 예를 들어, 사이클론 분리기에 존재하는 부류의, 고체를 위한 배출 수단의 스타 휠(star wheel)(24)을 포함하는 구성요소들을 갖는다. 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐, 염소 및 임의적으로 일산화탄소에 대한 도 4에서의 공급(14) 대신에, 또한, 다양한 공급 디바이스(supply device)가 각 경우에 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐, 염소 및 임의적으로 일산화탄소를 위해 제공되는 것이 가능하며, 염소 및 임의적으로 일산화탄소가 충분히 공급되는 경우에, 또한, 임의적으로, 임의의 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 공급하는 것이 필수적이지 않을 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 사이클론 반응기는 상이한 구조를 가질 수 있다. 또한, 복수의 배출 수단(17)을 제공하거나 반응된 공정 가스의 배출을 별도로 구성하는 것이 가능하다. 배출된 고체는 또한, 금속 클로라이드 뿐만 아니라, 미반응된 반응물들, 등과 같은 다른 물질을 포함할 수 있다. 사이클론 반응기는 하나 이상의 냉각 부재 및/또는 냉각 디바이스 및/또는 열 교환기를 포함할 수 있으며, 이는 도시되어 있지 않으며, 열 교환기에서, 스팀을 발생시키는 것이 가능하며, 이는 발전기에서 발전하기 위해 사용될 수 있다.
일 예로서, 사이클 반응기(cycle reactor)는 LiCl을 수득하기 위한 Li2CO3과 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위해 사용될 수 있으며, 이러한 반응은 예를 들어, 사이클론 분리기(cyclone separator)의 형태에서 일어난다. 여기에서, 리튬 카보네이트 및 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은, 예를 들어, 반응 영역(21)으로서 회전 대칭성 상부 부분(rotationally symmetrical upper part)으로 접선으로 불어넣어지고, 이에 따라, 서로 유동화되고 회전하게 된다. 리튬 클로라이드를 수득하기 위한 두 가지 반응물의 요망되는 반응이 발열성이기 때문에, 냉각이 추가적으로 요구되고, 예를 들어, 하나 이상의 열 교환기에 의해 일어날 수 있다.
또한, Li2CO3은 순수한 리튬과 혼합되어, 가능하게 일산화탄소의 형성을 야기시킬 수 있으며, 이는 염소와 반응되어 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 수득할 수 있으며, 이에 따라, 여기서, 염소 가스 및 가능하게 일산화탄소는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐에 추가적으로 또는 이의 대신에 공급될 수 있다. 이러한 리튬은 반응기에 예를 들어, 고체 형태로, 예를 들어, 리튬 입자로서, 또는 액체, 분출된 리튬 중 어느 하나로 도입될 수 있다. 반응 공정의 더욱 효과적인 제어를 위하여, 리튬이 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 반응 영역의 상이한 위치에 도입되는 것으로 인식될 수 있다.
중력 및 회전의 결과로서, 고체(예를 들어, LiCl) 및 가스상(예를 들어, O2, CO2) 반응 생성물 둘 모두는 반응 영역(21)에서 하향으로 원뿔형 분리 영역(22)으로 나선형 궤도로 진행한다. 분리 영역(22)에서의 테이퍼링(tapering)은 회전 속도를 점점 증가시키며, 이에 따라, 고체 입자는 원심력에 의해 벽으로 회전되며, 그러한 공정에서, 이러한 것이 흐름으로부터 분리되고 유출 챔버(23)로 하향으로 떨어지는 정도로 느려진다. 결과적으로 분리된 가스들은 이후에 중심 딥 튜브(central dip tube)에 의해 반응기로부터 상향으로 제거될 수 있다. 유출 챔버(23)에서 분리된 고체는 예를 들어, 스타 휠(star wheel)(24)에 의해 작동 동안 제거될 수 있다.
또한, 특정 구체예에 따르면, 사이클론 반응기의 벽은 과도한 열을 제거하기 위해 냉각될 수 있으며, 이는 발전기의 작동을 위한 스팀을 발생시키기 위해 다시 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명의 방법이 수행될 수 있는 장치에 관한 것이다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 금속 클로라이드 Mx +Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn, 바람직하게, Li 및 Mg, 더욱 바람직하게, Li의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 수득하기 위한 고체로서 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 장치로서,
금속 카보네이트와 염소화제의 반응을 위한 제1 반응기;
제1 반응기에 고체로서 금속 카보네이트를 도입하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단;
제1 반응기에 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 도입하도록 설계된, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단;
제1 반응기로부터 금속 클로라이드를 제거하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단; 및
제1 반응기로부터 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 가스상 생성물을 제거하도록 설계된, 금속 클로라이드와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 위한 제2 배출 수단을 포함하는 장치에 관한 것이다.
특정 구체예에 따르면, 이러한 부류의 장치는 제1 반응기에 금속(M)을 도입하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 공급 수단을 추가로 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 금속 클로라이드 Mx +Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn, 바람직하게, Li 및 Mg, 더욱 바람직하게, Li의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 수득하기 위해 고체로서 금속 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐과 반응시키고 금속(M)을 반응물로서 추가적으로 첨가하기 위한 장치로서,
금속 카보네이트와 염소화제의 반응을 위한 제1 반응기;
제1 반응기에 고체로서 금속 카보네이트를 도입하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단;
제1 반응기에 염소를 도입하도록 설계된, 염소를 위한 제7 공급 수단;
제1 반응기로부터 금속 클로라이드를 제거하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단;
임의적으로, 제1 반응기에 일산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 도입하도록 설계된, 일산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 적어도 하나의 제8 공급 수단; 및
제1 반응기로부터 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 위한 제2 배출 수단을 포함하며,
제1 반응기에 금속(M)을 도입하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 공급 수단을 추가로 포함하는 장치에 관한 것이다.
이러한 구체예에서, 본 발명의 장치는 이산화탄소루?? 일산화탄소의 발생을 위한 제2 전기분해 유닛을 추가로 포함할 수 있으며, 이로부터, 일산화탄소는 배출 수단을 통해 일산화탄소를 위한 임의적인 제8 공급 수단에 공급된다. 그러한 경우에, 이산화탄소로부터 일산화탄소를 발생시키기 위한 제2 전기분해 유닛은 추가적으로, 이산화탄소를 위한 공급물, 및 물을 위한 공급물, 및 산소, 등을 위한 배출 수단을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 특정 구체예에 따라, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단으로 다른 고체 또는 다른 물질, 뿐만 아니라 금속 클로라이드가 제1 반응기로부터 또한 제거된다는 것이 배제되지 않으며, 이의 예로는 미반응된 금속 카보네이트 및/또는 금속(M), 및 또한, 금속 카보네이트 및/또는 금속(M)과 염소화제의 추가 반응 생성물을 포함한다.
특정 구체예에서, 금속 카보네이트와 염소화제의 반응을 위한 제1 반응기는 그레이트 반응기(grate reactor) 또는 기계적 이동식 고정층 반응기 또는 사이클론 반응기이다. 또한, 본 발명의 장치에서, 금속(M) 및 금속 카보네이트는 제1 반응기에서의 공통 개구를 통해 제1 반응기로 공급될 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 본 발명의 장치는 금속(M) 및 염소를 수득하기 위해 금속 클로라이드를 전기분해하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 전기분해 수단; 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단에 연결되고 금속 클로라이드를 전기분해 수단에 공급하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제4 공급 수단; 전기분해 수단으로부터 금속(M)을 제거하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 배출 수단; 및 전기분해 수단으로부터 염소를 제거하도록 설계된, 염소를 위한 제4 배출 수단을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 가능하게, 전기분해 수단으로부터 예를 들어, 금속 클로라이드의 용액의 반응에서와 같이, 금속 클로라이드의 전기분해의 추가 반응 생성물을 배출시키도록 설계된 추가 배출 수단이 존재하며, 이러한 경우에, 사전에, 용매, 예를 들어, 물, 등이 금속 클로라이드에 공급된다. 여기에서 전기분해 수단의 구조가 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어, 용융 플럭스 전기분해(melt flux electrolysis)를 위해 또는 용액의 전기분해를 위해, 바람직하게, 용융 플럭스 전기분해를 위해, 통상적으로 사용되는 전기분해 수단을 포함할 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 금속(M)을 위한 제3 배출 수단으로, 금속(M) 뿐만 아니라 다른 고체 또는 다른 물질, 예를 들어, 플럭스 보조제(flux auxiliary), 미반응된 금속 클로라이드 및/또는 전기분해의 추가의 반응 생성물이 또한 제거된다는 것이 배제되지 않는다.
본 발명의 장치는 특정 구체예에 따르면, 금속(M)을 이산화탄소와 반응하도록 설계된, 금속 카보네이트를 제공하기 위한 금속(M)과 이산화탄소의 반응을 위한 제2 반응기, 제2 반응기에 금속(M)을 공급하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제5 공급 수단, 제2 반응기에 이산화탄소를 공급하도록 설계된, 이산화탄소를 위한 제6 공급 수단, 제1 공급 수단에 연결되고 제2 반응기로부터 금속 카보네이트를 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단, 및 제2 반응기로부터 제2 반응기로부터 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 배출하도록 설계된, 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 위한 적어도 하나의 제6 배출 수단을 추가로 포함하거나, 추가적으로 포함할 수 있다. 여기에는, 또한, 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 위한 둘 이상의 배출 수단이 포함된다. 여기에서 제2 반응기는 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어, 연소 반응기일 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단으로, 금속 카보네이트 뿐만 아니라 다른 고체 또는 다른 물질, 예를 들어, 미반응된 금속(M) 및/또는 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 반응 생성물이 제거된다는 것이 배제되지 않는다.
특정 구체예에 따르면, 금속(M) 및 염소를 제공하기 위해 금속 클로라이드를 전기분해하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 전기분해 수단으로서,
금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단에 연결되고 금속 클로라이드를 전기분해 수단으로 공급하도록 설계된, 금속 클로라이드의 제4 공급 수단;
전기분해 수단으로부터 금속(M)을 제거하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 배출 수단;
전기분해 수단으로부터 염소를 제거하도록 설계된, 염소를 위한 제4 배출 수단;
금속(M)을 이산화탄소와 반응시키도록 설계된, 금속 카보네이트를 수득하기 위한 금속(M)과 이산화탄소의 반응을 위한 제2 반응기;
금속(M)을 제2 반응기로 공급하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제5 공급 수단;
이산화탄소를 제2 반응기로 공급하도록 설계된, 이산화탄소를 위한 제6 공급 수단;
제1 공급 수단에 연결되고 제2 반응기로부터 금속 카보네이트를 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단; 및
제2 반응기로부터 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 생성물을 배출시키도록 설계된, 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 위한 적어도 하나의 제6 배출 수단을 포함하며,
제3 배출 수단이 제5 공급 수단에 연결되는, 전기분해 수단에 관한 것이다.
여기에서, 또한, 특정 구체예에 따르면, 금속(M)을 위한 제3 배출 수단으로, 다른 고체 또는 다른 물질, 뿐만 아니라, 금속(M), 예를 들어, 플럭스 보조제, 미반응된 금속 클로라이드 및/또는 전기분해의 추가 반응 생성물이 제거되고/거나, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단으로, 다른 고체 또는 다른 물질, 뿐만 아니라, 금속 카보네이트, 예를 들어, 미반응된 금속(M) 및/또는 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 반응 생성물이 제거된다는 것이 배제되지 않는다.
특정 구체예에 따르면, 제3 배출 수단은 추가적으로, 제3 공급 수단에 연결된다. 또한, 이러한 방식으로, 금속(M)은 재활용될 수 있으며, 이에 따라, 본 발명의 방법에 금속(M)의 첨가가 전혀 필요치 않거나 보다 적은 첨가가 요구된다. 그러나, 이러한 문맥에서, 추가의 금속(M)이 추가의 별도의 제3 공급 수단을 통해 또는 동일한 제3 공급 수단을 통해 제1 반응기로 공급된다는 것이 배제되지 않는다.
특정 구체예에 따르면, 본 발명의 장치는
이산화탄소를 전기분해하도록 설계된, 이산화탄소의 전기분해를 위한 제2 전기분해 수단;
제2 전기분해 수단으로부터 일산화탄소를 배출시키도록 설계된, 일산화탄소를 위한 제9 배출 수단;
제2 전기분해 수단에 이산화탄소를 공급하도록 설계된, 이산화탄소를 위한 제10 공급 수단;
제2 전기분해 수단으로부터 산소를 배출시키도록 설계된, 산소를 위한 제10 배출 수단;
임의적으로, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 수득하기 위해 염소와 일산화탄소를 반응시키고 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단에 연결되도록 설계된, 염소와 일산화탄소의 반응을 위한 반응기 및 제3 반응기;
일산화탄소를 위한 제9 배출 수단에 연결되고 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기에 또는 염소와 일산화탄소의 반응을 위한 제3 반응기에 일산화탄소를 공급하도록 설계된, 일산화탄소를 위한 제9 공급 수단을 추가로 포함한다.
특정 구체예에 따르면, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 수득하기 위해 염소와 일산화탄소를 반응시키도록 설계되고 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단에 연결된, 염소와 일산화탄소의 반응을 위한 제3 반응기를 포함한다. 이러한 반응기로부터, 이후에, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기에 공급되는 것이 가능하다. 이러한 구체예에서, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 제1 반응기 외측에서 제조된다.
또한, 제1 반응기 및/또는 제2 반응기 및/또는 전기분해 수단은 또한, 추가 수단, 예를 들어, 하나 이상의 냉각 수단, 가열 수단, 열 교환기, 펌프(pump), 등을 포함할 수 있다. 이러한 수단은 또한, 다양한 공급 및 배출 수단 상에 제공될 수 있다. 공급 및 배출 수단의 특성은 임의로 특별히 제한되지 않고, 적절하게, 예를 들어, 개구, 그레이트(grate), 격장, 드롭 샤프트(drop shaft), 등으로서 선택되거나 제공될 수 있다. 일 예로서 상기 및 하기에 기술된 바와 같은 다양한 공급 및 배출 수단 간의 연결은 적합한 방식으로, 예를 들어, 컨베이어 벨트(conveyor belt), 파이프(pipe), 등으로서, 제공될 수 있지만, 또한, 저장물(store) 및 적합한 이송 설비의 측면에서 적합한 방식으로 제공될 수 있다.
또한, 제1 반응기 및 또한 전기분해 수단, 제2 반응기, 제3 반응기 및/또는 제2 전기분해 수단은 또한, 상이한 위치에 존재할 수 있으며, 이에 따라, 파이프, 컨베이어 벨트, 등에 의해 반드시 연결될 필요는 없으며, 이러한 연결은 또한, 가능하게 이송 설비, 예를 들어, 배, 기차, 트럭(truck) 등에 의한 화물 수송을 통해 달성된다. 이의 장점은 에너지를 필요로 하는 단계, 예를 들어, 하나의 전기분해 단계 또는 둘 모두가 과량의 에너지가 일반적으로 존재하는 부위에서 일어날 수 있는 반면, 예를 들어, 발열 공정 또는 방법 단계가 과량의 에너지가 단지 드물게 존재하거나 그밖에 전혀 존재하지 않는 위치에서 수행될 수 있고 이에 따라, 이러한 방식으로, 소정 부류의 "에너지 이송"이 일어난다는 것이다.
상기 구체예, 구성예 및 개발예가 합리적인 한, 서로 임의적으로 결합될 수 있다. 본 발명의 추가의 가능한 구성예, 개발예, 및 실행예는 또한, 실시예를 참조로 하여 상기 및 하기에 기술되는 본 발명의 특징을 명확하게 기술되지 않은 조합을 포함한다. 특히, 당업자는 또한, 본 발명의 개개의 기본 형태에 개발예 또는 추가예로서 개별적인 양태를 부가할 것이다.
본 발명의 장치의 예는 도 5 내지 도 17에 도식적으로 도시되어 있다. 다양한 구체예에서, 제1 반응기 및/또는 존재하는 경우에, 제2 반응기에, 각 경우에, 열 교환기 및/또는 냉각 수단, 등이 존재할 수 있으며, 또한, 다양한 공급 및/또는 배출 수단 및 또한 제공된 전기분해 수단(E) 상에 추가 수단이 존재할 수 있다.
도 5는 금속 카보네이트가 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단(1)을 통해 금속 클로라이드를 수득하기 위한 금속 카보네이트와 고체 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기(R)에 공급되는 제1 예시적인 구체예를 도시한 것이다. 또한, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2)을 통해, 제1 반응기(R)에는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 공급된다. 이후에, 제1 반응기(R)로부터, 금속 클로라이드는 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단(1')을 통해 배출되며, 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물은 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 위한 제2 배출 수단(2')을 통해 배출된다.
제2 예시적인 구체예는 도 6에 도시된 것으로서, 여기서, 추가적으로, 금속(M)은 금속(M)을 위한 제3 공급 수단을 통해 제1 반응기(R)로, 금속 카보네이트를 위한 공급 수단(1)과 비교하여 별도의 개구를 통해 공급된다. 대안적인 구체예에서, 금속 카보네이트 및 금속(M)은 또한, 공통 개구에 의해 공급될 수 있다. 그러한 경우에, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단(1)의 스트림(stream) 및 금속(M)을 위한 제3 공급 수단(3)의 스트림은 제1 반응기(R)에 직접적으로 또는 심지어, 상기 반응기의 업스트림(upstream)에서 통합될 수 있다.
제3 예시적인 구체예는 도 7에 도시된 것으로서, 여기서, 제2 예시적인 구체예와 비교하여, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2) 대신에, 염소를 위한 제7 공급 수단(7)이 존재하며, 염소는 이후에 금속 카보네이트 및 금속(M)의 반응으로부터의 일산화탄소와 반응하여 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 수득한다.
또한, 제4 예시적인 구체예에서, 제3 예시적인 구체예와 비교하여, 일산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제8 공급 수단(8)이 존재하며, 이에 의해, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소가 공급되며, 금속 카보네이트의 반응을 위해 충분한 이산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 존재하지 않는 경우에, 또한, 두 개의 별개의 제8 공급 수단(8)을 통해 공급이 일어나는 것이 가능하다.
도 9에 도시된 제5 예시적인 구체예는 제1의 예시적인 구체예와 일치하는 것으로서, 여기서, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단(1')에 의해 배출된 금속 클로라이드는 금속 클로라이드를 위한 제4 공급 수단(4)을 통해 전기분해 수단(E)으로 공급되며, 여기서 이는 전기분해된다. 전기분해 수단(E)으로부터, 금속(M)은 이후에 금속을 위한 제3 배출 수단(3')을 통해 배출되며, 염소는 염소를 위한 제4 배출 수단(4')을 통해 배출된다. 그러나, 이러한 부류의 구체예의 경우에, 제1 반응기(R)에는 추가적으로 제2 예시적인 구체예에서와 같이 금속(M)이 그리고 임의적으로 제3 예시적인 구체예에서와 같이 염소가 및 임의적으로 제4 예시적인 구체예에서와 같이 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소가 공급되는 것이 배제되지 않는다. 또한, 추가적으로, 제1 반응기(R)와는 다른 소스로부터 금속 클로라이드를 전기분해 수단(E)로 공급하는 것이 배제되지 않는다.
도 10에 도시된 제6 예시적인 구체예는 제5 예시적인 구체예와 일치하는 것으로서, 금속(M)은 제2 예시적인 구체예에서와 같이, 제3 공급 수단(3)을 통해 공급되며, 염소는 제3 예시적인 구체예에서와 같이, 제7 공급 수단(7)을 통해 공급되며, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소는 제4 예시적인 구체예에서와 같이, 제8 공급 수단(8)을 통해 공급된다. 그러나, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2)이 존재하지 않는다. 제4 배출 수단(4')은 제7 공급 수단(7)에 연결되며, 이에 따라, 염소는 재순환되며, 염소가 또한 추가 소스로부터 제1 반응기(R)로 공급되고/거나 그 밖에 재순환없이 전기분해 수단(E)으로부터 획득된다는 것이 배제되지 않는다.
제7 예시적인 구체예는 도 11에 도시된 것으로서, 여기에는, 제6 예시적인 구체예에 추가적으로, 또한, 이산화탄소를 전기분해하도록 설계된 이산화탄소의 전기분해를 위한 제2 전기분해 수단(E'), 제2 전기분해 수단(E')으로부터 일산화탄소를 배출시키도록 설계된 일산화탄소를 위한 제9 배출 수단(9'), 제2 전기분해 수단에 이산화탄소를 공급하도록 설계된 이산화탄소를 위한 제10 공급 수단(10), 제2 전기분해 수단(E')으로부터 산소를 배출시키도록 설계된 산소를 위한 제10 배출 수단(10'), 염소와 일산화탄소를 반응시켜 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 수득하도록 설계된 염소와 일산화탄소의 반응을 위한 제3 반응기(R"), 및 일산화탄소를 위한 제9 반응기(9')에 연결되고 염소와 일산화탄소의 반응을 위한 제3 반응기(R")에 일산화탄소를 공급하도록 설계된, 일산화탄소를 위한 제9 공급 수단(9)이 존재하며, 여기에서, 제6 예시적인 구체예와는 대조적으로, 금속(M)을 위한 제3 공급 수단(3)이 존재하지 않으며, 제8 공급 수단(8)이 존재하지 않으며, 염소는 제7 공급 수단(7)에 의해 제1 반응기(R)가 아닌 제3 반응기(R")로 공급된다. 제3 반응기(R")는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2)에 연결되며, 이에 따라, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 제3 반응기(R")로부터 제1 반응기(R)로 공급된다. 이러한 부류의 일 구체예에서, 추가적으로, 금속(M), 염소 및/또는 일산화탄소, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 제1 반응기에 공급되는 것이 배제되지 않는다.
제8 예시적인 구체예는 도 12에 도식적으로 도시되어 있다. 이러한 구체예에서, 제6 예시적인 구체예에 추가적으로, 또한, 이산화탄소를 전기분해하도록 설계된 이산화탄소의 전기분해를 위한 제2 전기분해 수단(E'), 제2 전기분해 수단(E')으로부터 일산화탄소를 배출시키도록 설계된 일산화탄소를 위한 제9 배출 수단(9'), 제2 전기분해 수단에 이산화탄소를 공급하도록 설계된 이산화탄소를 위한 제10 공급 수단(10), 제2 전기분해 수단(E')으로부터 산소를 배출시키도록 설계된 산소를 위한 제10 배출 수단(10'), 및 일산화탄소를 위한 제9 배출 수단(9')에 연결되고 제1 반응기(R)에 일산화탄소를 공급하도록 설계된 일산화탄소를 위한 제9 공급 수단(9)이 존재한다. 여기에서, 제6 예시적인 구체예와는 대조적으로, 또한, 금속(M)을 위한 제3 공급 수단(3) 및 제8 공급 수단(8)이 존재하지 않는다. 이러한 구체예에서, 또한, 추가적으로, 금속(M), 염소 및/또는 일산화탄소, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 제1 반응기에 공급되는 것이 배제되지 않는다.
제9 예시적인 구체예는 도 13에 개략되어 있고, 초기에 제1의 예시적인 구체예와 일치하는 것으로서, 여기서, 금속 카보네이트는 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단(1)에 의해 제1 반응기(R)로 공급되며, 이는 금속 카보네이트를 제공하기 위한 금속(M)과 이산화탄소의 반응을 위한 제2 반응기(R')로부터 비롯된 것이며, 이로부터 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단(1)에 연결된, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단(5')에 의해 배출된다. 제2 반응기(R')로, 금속(M)을 위한 제5 공급 수단(5)을 통해 금속(M)이, 그리고 이산화탄소를 위한 제6 공급 수단(6)을 통해 이산화탄소가 공급되며, 또한, 금속과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물은 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 위한 제6 배출 수단(6')을 통해 배출된다. 그러나, 이러한 부류의 구체예의 경우에, 제1 반응기(R)에는 제2 예시적인 구체예에서와 같이 금속(M)이 추가적으로 공급되고 임의적으로 제3 예시적인 구체예에서와 같이 염소가 공급되고, 임의적으로 제4 예시적인 구체예에서와 같이 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소가 공급된다. 또한, 제1 반응기(R)에는 추가적으로, 제2 반응기(R')와는 다른 소스로부터 금속 카보네이트가 추가적으로 공급된다는 것이 배제되지 않는다. 또한, 제7 예시적인 구체예에서와 같이 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 제조, 및/또는 제8 예시적인 구체예에서와 같이 일산화탄소의 공급이 존재할 수 있으며, 그러한 경우에, 제7 예시적인 구체예 및/또는 제8 예시적인 구체예에 대해 제공된 세부사항이 또한 이러한 구체예에서 적용된다.
도 14에 도시된 예시적인 제10 구체예는 초기에 제5의 예시적인 구체예와 일치하는 것으로서, 여기서, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단을 통해 제1 반응기(R)로 공급되는 금속 카보네이트는 금속 카보네이트를 수득하기 위한 금속(M)과 이산화탄소의 반응을 위한 제2 반응기(R')로부터 비롯된 것이며, 이로부터 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단(1)에 연결되는, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단(5')에 의해 배치된다. 제2 반응기(R')로, 금속(M)을 위한 제5 공급 수단(5)을 통해 금속(M) 및 이산화탄소를 위한 제6 공급 수단(6)을 통해 이산화탄소가 공급되며, 또한, 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물은 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 위한 제6 배출 수단(6')을 통해 배출된다. 제2 반응기(R')에서의 반응을 위한 금속(M)은 적어도 일부, 전기분해 수단(E)으로부터 비롯된 것이며, 여기서, 금속(M)을 위한 제5 공급 수단(5)은 금속(M)을 위한 제3 배출 수단(3')에 연결된다. 그러나, 이러한 부류의 구체예와 관련하여, 제1 반응기(R)에 추가적으로 제2 예시적인 구체예에서와 같이 금속(M)이 공급되고, 임의적으로 제3 예시적인 구체예에서와 같이 염소가 공급되고, 제4 예시적인 구체예에서와 같이 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소이 공급된다. 또한, 추가적으로, 제1 반응기(R)에 제2 반응기(R')와 다른 소스로부터의 금속 카보네이트가 공급되고/거나, 금속 클로라이드가 제1 반응기(R)와는 다른 소스로부터 전기분해 수단(E)으로 공급되고/거나, 금속(M)이 전기분해 수단(E)과는 다른 소스로부터 제2 반응기(R')로 공급된다는 것은 배제되지 않는다. 또한, 제7 예시적인 구체예에서와 같이 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 제조, 및/또는 제8 예시적인 구체예에서와 같이 일산화탄소의 공급이 존재할 수 있으며, 그러한 경우에, 제7 예시적인 구체예 및/또는 제8 예시적인 구체예에 대해 제공된 세부사항은 또한 이러한 구체예에서 적용된다.
도 15에 도시된 예시적인 제11 구체예는 제10 구체예와 일치하는데, 금속(M)은 제2 예시적인 구체예에서와 같이, 제3 공급 수단(3)을 통해 공급되며, 염소는 제3 예시적인 구체예에서와 같이, 제7 공급 수단(7)을 통해 공급되며, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소는 제4 예시적인 구체예에서와 같이, 제8 공급 수단(8)을 통해 공급된다. 그러나, 이러한 경우에, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2)이 존재하지 않는다. 제4 배출 수단(4')은 제7 공급 수단(7)에 연결되며, 이에 따라, 염소는 재순환되며, 염소가 또한, 다른 소스로부터 제1 반응기(R)로 공급되고/거나 그밖에 재순환없이 전기분해 수단(E)으로부터 획득되는 것이 배제되지 않는다. 또한, 제7 예시적인 구체예에서와 같이 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 존재, 제8 예시적인 구체예에서와 같이 일산화탄소의 공급이 존재할 수 있으며, 그러한 경우에, 제7 예시적인 구체예 및/또는 제8 예시적인 구체예에 대해 제공된 세부사항은 또한 이러한 구체예에서 적용된다.
제12 예시적인 구체예는 도 16에 도시되어 있는 것으로서, 금속(M)의 일부가 전기분해 수단(E)으로부터 제1 반응기(R)로 공급되는 것을 제외하고 제10 예시적인 구체예와 아주 거의 일치한다. 다시 말해서, 제3 배출 수단(3')은 제3 공급 수단(3)에 추가적으로 연결된다. 그러나, 이러한 부류의 일 구체예에서, 임의적으로 염소가 제3 예시적인 구체예에서와 같이, 및 임의적으로, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소가 제4 예시적인 구체예에서와 같이 공급되는 것이 배제되지 않는다. 또한, 제1 반응기(R)에는 추가적으로 제2 반응기(R')와는 다른 소스로부터 금속 카보네이트가 공급되고/거나 금속 클로라이드가 제1 반응기(R)와는 다른 소스로부터 전기분해 수단(E)에 추가적으로 공급되고/거나 금속(M)이 추가적으로 전기분해 수단(E)과는 다른 소스로부터 제2 반응기(R')에 및/또는 제1 반응기(R)에 공급되는 것이 배제되지 않는다. 또한, 제7 예시적인 구체예에서와 같이, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 제조, 및/또는 제8 예시적인 구체예에서와 같이 일산화탄소의 공급이 존재할 수 있으며, 그러한 경우에, 제7 예시적인 구체예 및/또는 제8 예시적인 구체예에 대해 제공된 세부사항은 또한 이러한 구체예에 적용된다.
도 17에 도시된 예시적인 제13 구체예는 제12 구체예와 일치하는 것으로서, 염소는 제3 예시적인 구체예에서와 같이, 제7 공급 수단(7)을 통해 공급되며, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐 및/또는 일산화탄소는 제4 예시적인 구체예에서와 같이, 제8 공급 수단(8)에 의해 공급된다. 그러나, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2)이 존재하지 않는다. 제4 배출 수단(4')은 제7 공급 수단(7)에 연결되며, 이에 따라, 염소는 재순환되며, 염소가 또한 다른 소스로부터 제1 반응기(R)로 공급되고/거나 그 밖에 재순환없이 전기분해 수단(E)으로부터 획득되는 것이 배제되지 않는다. 또한, 제1 반응기(R)에는 추가적으로 제2 반응기(R')와는 다른 소스로부터 금속 카보네이트가 공급되고/거나, 금속 클로라이드가 제1 반응기(R)와는 다른 소스로부터 전기분해 수단(E)에 공급되고/거나, 금속(M)이 추가적으로 전기분해 수단(E)과는 다른 소스로부터 제2 반응기(R')에 및/또는 제1 반응기(R)에 공급되는 것이 배제되지 않는다. 또한, 제7 예시적인 구체예에서와 같이, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 제조, 및/또는 제8 예시적인 구체예에서와 같이 일산화탄소의 공급이 존재할 수 있으며, 그러한 경우에, 제7 예시적인 구체예 및/또는 제8 예시적인 구체예에 대해 제공된 세부사항은 또한 이러한 구체예에서 적용된다.
본 발명은 금속 카보네이트, 예를 들어, 리튬 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐과 반응시키는 방법 및 장치로서, 오염, 및 고가 및 불편한 탈수 단계의 경우가 방지될 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
특정 구체예에 따르면, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐은 금속 클로라이드, 예를 들어, 리튬 클로라이드의 전기분해로부터, 및 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 수득하기 위한 염소와의 완전한 반응으로부터 제공된다. 이러한 공정으로부터 얻어진 금속, 예를 들어, 리튬은 이후에 특정 구체예에 따르면, 금속 카보네이트, 예를 들어, 리튬 카보네이트를 수득하기 위해 이산화탄소와 함께 연소될 수 있다.
금속 카보네이트와의 효율적인 금속 회로의 실행을 위하여, 금속(M)과 이산화탄소의 반응으로부터의 금속 카보네이트 소성 산물(firing product)이 전기분해를 위해 금속 클로라이드로 재가공될 수 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 특정 구체예에 따르면, 전기분해로부터 비롯한 염소를 사용하여 금속 카보네이트의 직접 염소화에 의한 금속 클로라이드의 제조가 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 제조를 위해 이용된다.
이러한 부류의 금속 회로에서, 하기 장점들이 발생한다:
에너지의 공급을 요구하는 모든 작업 단계는 전기화학적 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 이러한 것은 예를 들어, 발전으로부터의 과량의 에너지로부터 작동될 수 있지만, 특히 오로지 재생 가능한 에너지에 의해 작동되지는 않는다.
순전히 열적 작업은 발열성이고, 이에 따라, 매우 빠르게 진행하고, 또한, 발전소 기술 측면에서 사용될 수 있는데, 왜냐하면, 온도 수준이 매우 높기 때문이다. 전체적으로 회로에 수반되는 종의 수는 최소로 제한될 수 있다.

Claims (18)

  1. 고체로서 금속 카보네이트(metal carbonate)를 포스겐(phosgene), 디포스겐(diphosgene) 및/또는 트리포스겐(triphosgene)과 반응시켜 금속 클로라이드(metal chloride) Mx+Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속(alkali metal), 알칼리 토금속(alkaline earth metal), Al 및 Zn의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 수득하는, 금속 클로라이드 Mx+Clx -를 제조하는 방법으로서, 상기 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 일산화탄소와 염소의 반응에 의해 제조되고, 상기 일산화탄소는 이산화탄소의 전기분해로부터 생성되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, M이 반응물로서 추가적으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 금속(M)이 금속 카보네이트와 함께 사용되고/거나, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐이 염소와 일산화탄소의 반응에 의해 인시튜(in situ)로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 클로라이드가 후속하여 전기분해되어 금속(M)을 수득하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 금속 회로(metal circuit)를 형성시키기 위해, 형성된 금속(M)이 이산화탄소와 일부 또는 전부 반응되어 금속 카보네이트를 수득하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반응이 그리드 반응기(grid reactor) 또는 기계적 이동식 고정층 반응기(mechanically moved fixed-bed reactor)에서 또는 사이클론 반응기(cyclone reactor)에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 금속 클로라이드 Mx+Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 수득하기 위해 고체로서 금속 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐과 반응시키기 위한 장치로서,
    금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기(R);
    제1 반응기(R)에 고체로서 금속 카보네이트를 도입하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단(1);
    제1 반응기(R)에 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 도입하도록 설계된, 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2);
    제1 반응기(R)로부터 금속 클로라이드를 제거하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단(1'); 및
    제1 반응기(R)로부터 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물(gaseous product)을 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 위한 제2 배출 수단(2')을 포함하고,
    이산화탄소를 전기분해하도록 설계된, 이산화탄소의 전기분해를 위한 제2 전기분해 수단(E');
    제2 전기분해 수단(E')으로부터 일산화탄소를 배출시키도록 설계된, 일산화탄소를 위한 제9 배출 수단(9');
    제2 전기분해 수단(E')에 이산화탄소를 공급하도록 설계된, 이산화탄소를 위한 제10 공급 수단(10);
    제2 전기분해 수단(E')으로부터 산소를 배출시키도록 설계된, 산소를 위한 제10 배출 수단(10');
    포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 수득하기 위해 염소와 일산화탄소를 반응시키고 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 제2 공급 수단(2)에 연결하도록 설계된, 염소와 일산화탄소의 반응을 위한 제3 반응기(R"); 및
    일산화탄소를 위한 제9 배출 수단(9')에 연결되고, 염소와 일산화탄소의 반응을 위한 제3 반응기(R")에 일산화탄소를 공급하도록 설계된, 일산화탄소를 위한 제9 공급 수단(9)을 추가로 포함하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 제1 반응기(R)에 금속(M)을 도입하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 공급 수단(3)을 추가로 포함하는 장치.
  9. 금속 클로라이드 Mx+Clx - (여기서, 금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al 및 Zn의 군으로부터 선택되며, x는 금속 양이온의 원자가에 해당함)를 수득하기 위해 고체로서 금속 카보네이트를 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐과 반응시키고 금속(M)이 반응물로서 추가적으로 첨가되기 위한 장치로서,
    금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기(R);
    제1 반응기(R)에 고체로서 금속 카보네이트를 도입하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제1 공급 수단(1);
    제1 반응기(R)에 염소를 도입하도록 설계된, 염소를 위한 제7 공급 수단(7);
    제1 반응기(R)로부터 금속 클로라이드를 제거하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단(1');
    임의적으로, 제1 반응기(R)에 일산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 도입하도록 설계된, 일산화탄소 및/또는 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐을 위한 하나 이상의 제8 공급 수단(8);
    제1 반응기(R)로부터 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응의 가스상 생성물을 위한 제2 배출 수단(2'); 및
    제1 반응기(R)에 금속(M)을 도입하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 공급 수단(3)을 포함하고,
    이산화탄소를 전기분해하도록 설계된, 이산화탄소의 전기분해를 위한 제2 전기분해 수단(E');
    제2 전기분해 수단(E')으로부터 일산화탄소를 배출시키도록 설계된, 일산화탄소를 위한 제9 배출 수단(9');
    제2 전기분해 수단(E')에 이산화탄소를 공급하도록 설계된, 이산화탄소를 위한 제10 공급 수단(10);
    제2 전기분해 수단(E')으로부터 산소를 배출시키도록 설계된, 산소를 위한 제10 배출 수단(10'); 및
    일산화탄소를 위한 제9 배출 수단(9')에 연결되고, 금속 카보네이트와 포스겐, 디포스겐 및/또는 트리포스겐의 반응을 위한 제1 반응기(R)에 일산화탄소를 공급하도록 설계된, 일산화탄소를 위한 제9 공급 수단(9)을 추가로 포함하는 장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 카보네이트와 염소화제의 반응을 위한 제1 반응기(R)가 그리드 반응기 또는 기계적 이동식 고정층 반응기 또는 사이클론 반응기인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 제1 반응기(R)에 금속(M) 및 금속 카보네이트의 공급이 제1 반응기에서 공통 개구(common opening)를 통해 일어나는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속(M) 및 염소를 수득하기 위해 금속 클로라이드를 전기분해하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 전기분해 수단(E);
    금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단(1')에 연결되고 전기분해 수단(E)에 금속 클로라이드를 공급하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 제4 공급 수단(4);
    전기분해 수단(E)으로부터 금속(M)을 제거하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 배출 수단(3'); 및
    전기분해 수단(E)으로부터 염소를 제거하도록 설계된, 염소를 위한 제4 배출 수단(4')을 추가로 포함하는 장치.
  13. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속(M)을 이산화탄소와 반응시키도록 설계된, 금속 카보네이트를 수득하도록 금속(M)과 이산화탄소의 반응을 위한 제2 반응기(R');
    제2 반응기(R')에 금속(M)을 공급하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제5 공급 수단(5);
    제2 반응기(R')에 이산화탄소를 공급하도록 설계된, 이산화탄소를 위한 제6 공급 수단(6);
    제1 공급 수단(1)에 연결되고 제2 반응기(R')로부터 금속 카보네이트를 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단(5'); 및
    제2 반응기(R')로부터 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 배출시키도록 설계된, 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 위한 하나 이상의 제6 배출 수단(6')을 추가로 포함하는 장치.
  14. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속(M) 및 염소를 수득하기 위해 금속 클로라이드를 전기분해하도록 설계된, 금속 클로라이드를 위한 전기분해 수단(E);
    금속 클로라이드를 위한 제1 배출 수단(1')에 연결되고 전기분해 수단(E)에 금속 클로라이드를 공급하도록 설계된, 금속 클로라이드의 제4 공급 수단(4);
    전기분해 수단(E)으로부터 금속(M)을 제거하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제3 배출 수단(3');
    전기분해 수단(E)으로부터 염소를 제거하도록 설계된, 염소를 위한 제4 배출 수단(4');
    금속(M)을 이산화탄소와 반응시키도록 설계된, 금속 카보네이트를 수득하도록 금속(M)과 이산화탄소의 반응을 위한 제2 반응기(R');
    제2 반응기(R')에 금속(M)을 공급하도록 설계된, 금속(M)을 위한 제5 공급 수단(5);
    제2 반응기(R')에 이산화탄소를 공급하도록 설계된, 이산화탄소를 위한 제6 공급 수단(6);
    제1 공급 수단(1)에 연결되고 제2 반응기(R')로부터 금속 카보네이트를 제거하도록 설계된, 금속 카보네이트를 위한 제5 배출 수단(5'); 및
    제2 반응기(R')로부터 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 배출하도록 설계된, 금속(M)과 이산화탄소의 반응의 추가 생성물을 위한 하나 이상의 제6 배출 수단(6')을 추가로 포함하며,
    제3 배출 수단(3')이 제5 공급 수단(5)에 연결되는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 제3 배출 수단(3')이 추가적으로 제3 공급 수단(3)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
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  17. 삭제
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